4.6. Kotrljajuća i globalna zaslonka

Senzor očitava svoju dvodimenzionalnu mrežu piksela jednu po jednu ćeliju. Dvije stvari u vezi s tim očitavanjem oblikuju snimljenu sliku: redoslijed kojim se pikseli skeniraju te kako se prozor ekspozicije svakog retka vremenski poklapa s tim skeniranjem. Prvo je određeno samim silicijem; drugo dolazi u dvije ustaljene varijante koje su vrlo bitne za prizore koji se kreću.

4.6.1. Redoslijed očitavanja

Tipični senzori počinju s pikselom u donjem lijevom kutu i skeniraju udesno duž tog retka, zatim prelaze gore na sljedeći redak i ponovno skeniraju udesno, i tako sve dok ne završe u gornjem desnom kutu.

Polje piksela očitava se počevši od piksela u donjem lijevom kutu, skenirajući udesno duž svakog retka te prelazeći gore na sljedeći redak između redaka.

Taj redoslijed nije slučajan. Leća vodoravno zrcali i okomito preokreće prizor dok ga projicira na senzor – vrh prizora pada na dno senzora, a lijevi dio prizora na desni dio senzora – a očitavanje od donjeg lijevog kuta prema gore prolazi kroz senzor onim redoslijedom koji poništava oba preokreta, smještajući piksele u memoriju u ispravnoj orijentaciji.

4.6.2. Kotrljajuća zaslonka

U senzoru s kotrljajućom zaslonkom svaki se redak redom eksponira i očitava. Dok se jedan redak očitava, sljedeći još završava svoju ekspoziciju, redak nakon njega tek je počeo, i tako dalje – prozor ekspozicije svakog retka vremenski je blago pomaknut u odnosu na sljedeći. Prozor integracije senzora kotrlja se preko sličice redoslijedom skeniranja, a potpuno skeniranje traje cijelu duljinu sličice.

Za nepomične prizore to je nevidljivo. Za prizore s brzim kretanjem pomak se očituje kao iskrivljenje – objekt koji se kreće između trenutka snimanja prvog retka i trenutka snimanja posljednjeg retka pojavljuje se na različitim položajima u različitim recima iste sličice.

Okomita traka koja se kreće udesno, snimljena svakom vrstom zaslonke. Kotrljajuća zaslonka naginje traku jer se vrh sličice očitava u drugom trenutku od dna; globalna zaslonka zamrzava traku u jednom trenutku.

Kotrljajuća zaslonka jeftiniji je dizajn. Budući da se svaki redak očita odmah nakon što završi s eksponiranjem, sklopovlje piksela ne treba zasebnu zaštićenu pohranu po pikselu koja bi držala njegovu vrijednost tijekom očitavanja cijelog senzora. Ušteđeni tranzistori ostavljaju fotodiodi veći udio površine piksela, što se izravno pretvara u veću osjetljivost i niži šum pri istoj fizičkoj veličini piksela. Većina potrošačkih senzora slike koristi kotrljajuću zaslonku upravo zbog toga.

4.6.3. Globalna zaslonka

U senzoru s globalnom zaslonkom svaki piksel započinje svoju ekspoziciju u istom trenutku i završava je u istom trenutku. Snimljeni naboj zatim se prenosi u zaštićeno područje pohrane na pikselu, a očitavanje redak po redak odvija se odande. Snimljena sličica predstavlja jedan trenutak u vremenu, bez obzira na to koliko se brzo prizor kreće.

Globalna zaslonka košta više silicija, a taj trošak pada na fotodiodu. Držanje vrijednosti svakog retka tijekom očitavanja cijelog senzora zahtijeva dodatnu zaštićenu ćeliju za pohranu na svakom pikselu te tranzistore koji je odvajaju od fotodiode – površinu koja bi inače pripadala samoj fotodiodi. Manja fotodioda hvata manje fotona u jedinici vremena, pa je piksel s globalnom zaslonkom manje osjetljiv od piksela s kotrljajućom zaslonkom iste veličine. Isti prizor treba dulju ekspoziciju ili veće pojačanje da bi se snimio s istom svjetlinom, a dodatno sklopovlje povrh toga blago povećava šum očitavanja.

Drugi je danak na proračunu ekspozicije. U senzoru s kotrljajućom zaslonkom ekspozicija svakog retka preklapa se s očitavanjem susjednih redaka, pa svaki redak može integrirati svjetlost gotovo cijelu duljinu sličice. Kod globalne zaslonke očitavanje ne može započeti dok svaki redak ne završi s eksponiranjem, pa je pri zadanoj brzini sličica maksimalno vrijeme ekspozicije jednako duljini sličice umanjenoj za puno vrijeme očitavanja. Pri istoj brzini sličica, piksel s kotrljajućom zaslonkom na kraju ima više svjetlosti po sličici.

Ti se troškovi gomilaju: senzori s globalnom zaslonkom imaju manji broj piksela, šumniji su, manje osjetljivi i skuplji po pikselu od svojih pandana s kotrljajućom zaslonkom. Ta je razmjena isplativa samo kad je brzo kretanje potrebno snimiti čisto.

4.6.4. Kada koristiti koju

Vrsta zaslonke hardversko je svojstvo senzora, a ne softverska postavka. Izbor se donosi prilikom dizajniranja kamere.

Kotrljajuća zaslonka u redu je kada:

• je prizor nepomičan ili se kreće sporo;

• aplikacija može tolerirati određeno iskrivljenje (većina fotografije i većina rada na korisničkom sučelju);

• su prioritet cijena i razlučivost po novčanoj jedinici.

Globalna zaslonka pravi je izbor kada:

• prizor sadrži brzo kretanje koje treba snimiti čisto (robotika, dronovi, inspekcija na pokretnoj traci);

• sama kamera vibrira ili se kreće u odnosu na statičan prizor;

• se slika unosi u algoritam vida koji pretpostavlja da je svaka sličica jedan vremenski trenutak (većina cjevovoda za procjenu poze i strukture iz kretanja).

Napomena

Linija OpenMV Cam standardno koristi senzore s globalnom zaslonkom za primjene strojnog vida, gdje zamućenje uslijed kretanja na objektu koji se kreće (ili na kameri koja se kreće) ometa detekciju i praćenje u kasnijim fazama. Nude se i moduli senzora s kotrljajućom zaslonkom za primjene u kojima je kvaliteta slike sporog ili statičnog prizora važnija od zamrzavanja brzog kretanja – klasično snimanje u fotografskom stilu.